基于非線性管理的類噪聲摻鉺鎖模光纖激光器

閆麗，林啟蒙，宋園起，賈谞卓，陶家寧，李楊陽，宋鵬葉，江曼

（1 西北大學光子學與光子技術研究所，西安 710127）

（2 西北大學陜西省光電子技術重點實驗室，西安 710127）

（3 西北大學省部共建西部能源光子技術國家重點實驗室，西安 710127）

0 引言

被動鎖模光纖激光器由于其光束質(zhì)量好、結(jié)構緊湊、體積小、制作成本低、可調(diào)諧以及容易產(chǎn)生超短脈沖等優(yōu)點［1-3］，在光纖通信［4］、光纖傳感［5］、光學頻率測量［6］和航空航天領域［7］具有潛在的應用價值。近幾十年來，利用被動鎖模光纖激光器可以產(chǎn)生多種類型的鎖模脈沖，如高斯脈沖［8］、自相似脈沖［9］、孤子脈沖［10］、類噪聲脈沖［11］（Noise-Like Pulse，NLP）等等。其中，NLP 是鎖模激光器在一定條件下產(chǎn)生的一種特殊脈沖，由于其具有脈沖寬度寬、能量高以及低時域相干性［12-13］等特點被廣泛應用于低相干光譜干涉儀［14］、微加工［15］、超連續(xù)譜產(chǎn)生［16］等領域。因此，研究類噪聲鎖模光纖激光器具有重要意義。

目前，基于被動鎖模技術的類噪聲摻鉺光纖激光器的研究已經(jīng)被大量報道。1997 年，以色列的HRORWITZ M 等［17］首次在非線性偏振旋轉(zhuǎn)（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）摻鉺光纖激光器中成功實現(xiàn)了尖峰脈沖寬度為190 fs、波長范圍為1 495～1 620 nm 的NLP 輸出。隨后，XIA Handing 等［18］通過在NPR 鎖模光纖激光諧振腔內(nèi)引入20 m 增益光纖，實現(xiàn)了重復頻率為9.36 MHz、光譜范圍為1 500～1 650 nm的類噪聲鎖模脈沖輸出。LUO Aiping 等［19］通過在非線性環(huán)形鏡摻鉺鎖模光纖激光器中引入32.8 m 的單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）和4 m 的增益光纖，實現(xiàn)了光譜范圍為1 540～1 600 nm 的類噪聲鎖模脈沖輸出。WANG Zhenhong 等［20］通過在摻鉺光纖激光器中放置10 m 的增益光纖，實現(xiàn)了光譜范圍為1 545～1 620 nm 的類噪聲鎖模脈沖輸出。CHENG Xi 等［21］在NPR 摻鉺光纖激光器中利用45°傾斜光纖光柵，產(chǎn)生了尖峰脈沖寬度為420 fs、光譜范圍為1 540～1 630 nm 的類噪聲鎖模脈沖。在以上報道中，研究人員大都是利用較長的增益光纖或者SMF 調(diào)節(jié)腔內(nèi)色散和積累非線性，以此獲得類噪聲鎖模脈沖的輸出，其輸出光譜范圍都在1 495～1 650 nm 之間。到目前為止，基于NPR 鎖模機制，采用高非線性光纖（Highly Nonlinear Fiber，HNLF）管理激光腔內(nèi)非線性實現(xiàn)寬光譜類噪聲鎖模光纖激光器尚未見相關文獻報道。

因此，本文通過HNLF 和色散補償光纖（Dispersion Compensation Fiber，DCF）來實現(xiàn)激光腔內(nèi)非線性和色散管理，利用NPR 技術最終獲得穩(wěn)定的類噪聲鎖模脈沖輸出，首先在腔內(nèi)加入較短的非線性光纖，實現(xiàn)超短脈沖的穩(wěn)定輸出，其脈沖中心波長為1 534 nm，脈沖寬度為1.9 ps，重復頻率為20.1 MHz，40 dB 帶寬約為100 nm。為了進一步提高腔內(nèi)非線性效應，將非線性光纖增長至30 cm，獲得了穩(wěn)定的寬譜類噪聲鎖模激光輸出，其光譜覆蓋范圍為1 280～1 850 nm，40 dB 光譜帶寬達到500 nm。同時通過實驗發(fā)現(xiàn)，類噪聲鎖模脈沖的基座脈沖寬度和尖峰脈沖寬度隨泵浦功率的演化呈相反趨勢，且光譜覆蓋范圍隨泵浦功率的增加而展寬。目前，由于使用的泵浦激光功率有限，后續(xù)可以選用更高功率的泵浦激光實現(xiàn)光譜的進一步拓展。

1 實驗裝置及工作原理

為了利用非線性管理技術來獲得穩(wěn)定的鎖模激光輸出，首先對基于6 cm 非線性光纖的摻鉺鎖模光纖激光器進行理論模擬，為后續(xù)的實驗設計提供理論指導。在理論上采用分步傅里葉算法求解非線性薛定諤方程，模擬摻鉺光纖諧振腔內(nèi)脈沖演化過程。圖1（a）為其鎖模激光器的理論模型。該環(huán)形腔由SMF、摻鉺光纖（Erbium-doped Fiber，EDF）、DCF、HNLF、可飽和吸收體（Saturable Absorber，SA）和輸出耦合器（Output Coupler，OC）組成。

圖1 被動鎖模光纖激光器理論模擬特性Fig.1 The theoretical simulation characteristics of passive mode-locked fibre laser

在模擬中，利用廣義非線性薛定諤方程來描述脈沖的傳播

式中，A表示光脈沖的振幅，α是損耗，β2是群速度色散，γ是非線性系數(shù)，?是A（t）的傅里葉分量，g（ω）是增益，它與頻率ω有關，并考慮到增益飽和效應

在式（2）中，g0為小增益信號，Esat為增益飽和能量，Epulse為脈沖能量。圖1（b）給出了時域上信號從白噪聲起振到形成鎖模脈沖的自洽過程。從圖中可以看出，脈沖可以從白噪聲中迅速提取，經(jīng)增益光纖放大，并通過SA實現(xiàn)脈沖的穩(wěn)定，整個自洽過程循環(huán)50圈以后就可以完成。圖1（c）為其展寬脈沖型的典型自相關軌跡，一般采用雙曲正割或者高斯函數(shù)進行擬合。當進一步增加HNLF的長度，使得腔內(nèi)非線性效應增強，由于脈沖坍塌和峰值功率箝制效應的共同作用可以實現(xiàn)NLP 運轉(zhuǎn)，其脈沖的時域演化過程如圖2所示。圖2（a）為NLP 的時域演化過程，可以看出，經(jīng)過有限次的循環(huán)，NLP可以穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)。圖2（b）是對應的自相關曲線演化圖，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，寬脈沖底座上有一個較窄的尖峰，由于尖峰脈沖較窄，在圖中需要仔細分辨。圖2（c）為典型的NLP自相關曲線，通過自相關曲線可以最直觀的分辨NLP。通過對該鎖模系統(tǒng)的理論分析，為后續(xù)實驗設計提供了理論指導。

圖2 類噪聲鎖模光纖激光器理論模擬特性Fig.2 The theoretical simulation characteristics of noise-like mode-locked fiber laser

在理論模擬的基礎上，選擇最佳的諧振腔參數(shù)，在實驗上搭建基于HNLF 和DCF 的被動鎖模摻鉺光纖激光器，實驗裝置如圖3 所示。激光泵浦源采用輸出波長為976 nm 的半導體激光二極管（Laser Diode，LD），最高泵浦功率為1 100 mW。980/1 550 nm 波分復用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）可將LD 的泵浦激光耦合到摻鉺增益光纖中，其中WDM 的尾纖為0.4 m 長的HI1060 光纖，群速度色散為-0.001 3 ps2/m。增益光纖選用60 cm 長的EDF（Er110-4/125），群速度色散（Group Velocity Dispersion，GVD-β2）為0.013 4 ps2/m。在增益光纖之后引入一段HNLF，其零色散波長為1 550 nm，非線性系數(shù)為10.7 W-1km-1，在1 550 nm 處的色散斜率和色散量分別為0.03 ps·nm-2·km-1、-0.007 6 ps2/m，主要用于對諧振腔內(nèi)的非線性進行管理。為了減小EDF、DCF 與HNLF 之間的熔接損耗，在HNLF 前后各熔接一段SMF（SMF-28），其群速度色散為-0.022 ps2/m。SMF 與HNLF 之間的熔接模式主要通過改變主放電時間和主放電功率進行優(yōu)化，通過優(yōu)化，其熔接損耗可以低至0.03 dB。為實現(xiàn)腔內(nèi)色散的調(diào)整，選用2.5 m 長的DCF（β2=0.048 ps2/m）。腔內(nèi)剩余光纖為SMF-28?？臻g部分主要包括2 個λ/2 波片（Half-Wave Plate，HWP）、2 個λ/4 波片（Quarter-Wave Plate，QWP）、1 個偏振分光棱鏡（Polarizing Beam Splitter，PBS）、1 個空間隔離器（Polarization Dependent Isolator，PD-ISO）和2 個準直器（Collimator，Col）。其中2 個Col 將光纖中的光導出至空間并耦合形成回路，PD-ISO 用來確保諧振腔內(nèi)的光保持單向運轉(zhuǎn)。利用λ/4 波片、λ/2 波片和PBS 來精確調(diào)控腔內(nèi)光偏振態(tài)，進而實現(xiàn)激光達到鎖模狀態(tài)。激光的光譜采用橫河的光譜分析儀（YOKOGAWA，AQ6370D，最小分辨率為0.02 nm，監(jiān)測范圍為1 200～2 400 nm）進行測試，脈沖寬度利用自相關儀（Pulsecheck USB，APE）測量，信噪比由頻譜分析儀（Agilent Technologies E4407B）測量，脈沖序列由帶寬500 MHz 數(shù)字存儲示波器（Tektronix，MDO3054）配合光電探測器監(jiān)測。

圖3 摻鉺鎖模光纖激光器實驗裝置圖Fig.3 The experimental setup of erbium-doped modelocked fiber laser

2 結(jié)果與討論

當泵浦激光功率為600 mW，通過調(diào)整諧振腔內(nèi)的波片角度可以獲得穩(wěn)定的超短脈沖輸出。此時諧振腔內(nèi)的HNLF 長度為6 cm，腔內(nèi)凈色散為-0.019 ps2。圖4 為該系統(tǒng)的典型輸出特性。圖4（a）為該激光諧振腔的光譜數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，中心波長在1 534 nm，輸出光譜的40 dB 帶寬約為100 nm，波長范圍從1 480 nm到1 580 nm。圖4（b）是一個典型的均勻鎖模脈沖序列，可以看到脈沖強度基本相等，且分布均勻，相鄰脈沖之間的時間間隔為50 ns，屬于單脈沖鎖模狀態(tài)，對應的脈沖重復頻率為20.1 MHz。測量的脈沖寬度為1.9 ps，如圖4（c）所示，對應的時間帶寬積為6.96，這說明腔內(nèi)存在較多的啁啾。輸出脈沖的射頻頻譜如圖4（d）所示。觀測到基頻為20.1 MHz 的強信號峰值，其信噪比約為66 dB。插圖是從0 MHz 到500 MHz 范圍內(nèi)的射頻頻譜，表明該激光器在高度穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。通過自相關曲線可以看出，該系統(tǒng)未產(chǎn)生NLP。

圖4 展寬型摻鉺鎖模光纖激光器的輸出特性Fig.4 Output characteristics of broadband erbium-doped mode-locked fiber lasers

在此基礎上，將腔內(nèi)HNLF 的長度增加至30 cm，腔內(nèi)總色散為-0.021 ps2。當泵浦功率為1 100 mW時，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)波片的狀態(tài)，該激光系統(tǒng)可以實現(xiàn)NLP 運轉(zhuǎn)。圖5 展示了在泵浦功率為1 100 mW 時，類噪聲鎖模脈沖的脈沖序列、光譜圖、自相關曲線以及射頻頻譜圖。圖5（a）為類噪聲鎖模脈沖的光譜，從圖中可以看出，類噪聲脈沖的中心波長在1 553 nm，40 dB 光譜帶寬約為500 nm，光譜覆蓋1 280～1 850 nm，此時的光譜范圍明顯增大，這主要是由于NLP 通過HNLF 傳輸時，其頻域和時域演化受到了多種非線性效應的影響。所有這些非線性過程都能在NLP 頻譜內(nèi)產(chǎn)生新的頻率成分，進一步展寬了光譜。圖5（b）是一個典型的鎖模脈沖序列，脈沖的幅度均勻一致，相鄰脈沖之間的時間間隔為51 ns。對應的脈沖重復頻率為19.7 MHz，與10.5 m 的總腔長相符。輸出NLP 的射頻頻譜如圖5（c）所示?；l為19.7 MHz 的強信號峰值，其信噪比約為45 dB。該信號有噪聲基座，是典型的NLP 激光器特征。插圖是從0 MHz 到500 MHz 范圍內(nèi)的射頻頻譜，表明該類噪聲鎖模光纖激光器在比較穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。為了進一步確定是鎖模NLP，使用商用的自相關儀測量了不同掃描范圍內(nèi)脈沖的自相關曲線，如圖5（d）所示。通過圖5（d）可以清楚地看到，在50 ps 的掃描范圍內(nèi)，自相關曲線包含了一個大的能量底座，一個窄的尖峰位于大的基座上，其尖峰與基座的強度比為0.5，基座的脈沖寬度為26.6 ps。這是典型的NLP 的特點，一個大的脈沖包絡由許多振幅和相位不相同的超短脈沖組成。對尖峰采用高斯曲線擬合，擬合之后的尖峰脈沖寬度為70.9 fs，結(jié)果如圖5（d）的插圖所示。皮秒基座的出現(xiàn)表明，所研究的光場是由皮秒波包組成的，其內(nèi)部是由許多強度和寬度隨機演化的飛秒脈沖構成的精細結(jié)構。另一方面，飛秒峰值表明波包內(nèi)的脈沖具有飛秒級的持續(xù)時間。尖峰與基座的強度比為0.5，表明光場的光譜成分是高度不相關的，因此光場具有較低的時域相干性［22-24］。同時，也表明飛秒脈沖的強度是隨機變化的［17，22-23］。

圖5 泵浦功率為1 100 mW 時類噪聲被動鎖模光纖激光器的輸出特性Fig.5 Output characteristics of a noise-like passive mode-locked fiber laser with pumping power of 1 100 mW

當泵浦功率為1 100 mW 時，得到最大的輸出功率為2.08 mW，類噪聲鎖模光纖激光器的平均輸出功率隨泵浦功率的變化關系如圖6（a）所示。激光輸出曲線并未出現(xiàn)功率飽和，由于泵浦功率的限制，并沒有繼續(xù)增加泵浦功率。從圖中可以看出，當泵浦功率為0～500 mW 時，該激光器輸出的是連續(xù)波；當泵浦功率為500～1 100 mW 時，由于DCF 和HNLF 控制腔內(nèi)色散和提供非線性效應，以及適當?shù)卣{(diào)節(jié)偏振控制器，該激光器實現(xiàn)了寬帶光譜類噪聲鎖模脈沖的輸出。其鎖模閾值相對較高，這主要是由于HNLF 的熔接損耗以及所用器件都是常規(guī)器件，工作帶寬相對較窄。因此，需要采用較大的泵浦功率來達到鎖模閾值，相比諧振腔內(nèi)沒有HNFL 的情況下，激光器的斜率效率從2%降低至0.18%，這主要是由于腔體中異質(zhì)光纖的模場不匹配導致?lián)p耗過大，使得類噪聲鎖模光纖激光器的斜率斜率降低。為了驗證類噪聲鎖模光纖激光器的功率穩(wěn)定性，采用功率計（Gentec-EO MASTERRO）測量了其輸出功率，我們對其輸出功率進行了2 h 的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6（b）所示。從圖中可以看出，輸出功率始終保持在1.01 mW 左右，通過計算可得，2 h 的均方根（Root Mean Square，RMS）為1.14%，說明它具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性。

圖6 類噪聲鎖模光纖激光器的輸出功率和功率穩(wěn)定性Fig.6 Output power and power stability of noise-like mode-locked fiber laser

在獲得類噪聲鎖模脈沖后，研究了不同泵浦功率下NLP 的輸出光譜和對應的自相關曲線。當泵浦功率為500～1 000 mW 時，該激光器一直處于NLP 鎖模狀態(tài)，其光譜特性和時域特性如圖7 所示。從圖7（a）中可以看出，隨著泵浦功率的增加，尖峰脈沖的持續(xù)時間略有減少，這一特征主要是源于光譜帶寬逐漸變寬的事實。相反地，隨著泵浦功率的增加，基座的脈沖寬度逐漸變寬，其結(jié)果如圖7（a）所示。這主要是由于隨著泵浦功率的增加，小脈沖數(shù)量會不斷增加，NLP 的持續(xù)時間也會相應變長。從圖7（b）可以看出，隨著泵浦功率的增加，光譜的形狀基本保持不變，輸出光譜同時向短波長和長波長兩個方向展寬，光譜覆蓋范圍逐漸增大。這主要是由于隨著泵浦功率的增加，耦合進HNLF 的功率不斷提高。因此，NLP 在通過HNLF 傳輸時，由于自相位調(diào)制、孤子自頻移等非線性效應的綜合作用不斷增強，使得光譜逐漸展寬。隨著泵浦功率的提高，NLP 的平均輸出功率還一直在增加，其光譜也一直在變寬，說明還未達到飽和展寬階段，還有進一步提高功率和展寬光譜的空間。通過本實驗的研究，后續(xù)可以通過定制寬帶寬工作的光纖器件，選用更高功率的泵浦激光，優(yōu)化HNLF 的熔接損耗，進而獲得更寬光譜的類噪聲鎖模脈沖輸出。

圖7 不同泵浦功率下類噪聲鎖模光纖激光器的輸出光譜和自相關曲線Fig.7 Output spectra and autocorreltion traces of noise-like mode-locked fiber laser at different pump powers

3 結(jié)論

本文研究了一種基于非線性和色散管理技術的NPR 類噪聲鎖模光纖激光器。為了獲得類噪聲鎖模脈沖的輸出，在激光諧振腔內(nèi)引入30 cm HNLF 和2.5 m DCF 管理腔內(nèi)非線性和色散。當泵浦功率為1.1 W時，由于色散和非線性效應的影響，該激光器獲得了尖峰脈沖寬度和包絡脈沖寬度分別為70.9 fs、26.6 ps，40 dB 光譜帶寬為500 nm，重復頻率為19.7 MHz 的類噪聲鎖模脈沖輸出。同時實驗發(fā)現(xiàn)，隨著泵浦功率的增加，類噪聲鎖模光纖激光器的輸出光譜范圍變得更寬。本文的研究為制備寬光譜類噪聲鎖模激光光源提供了可行方案，由于其緊湊、輸出穩(wěn)定、易制作等的特點，它具有很大的應用潛力。